本文亮點
本文描述了一種安全，高功率和長壽命的基于鋰離子的有機氧氣電池。其使用鋰聯(lián)苯絡合物的醚溶液作為液態(tài)負極，由雙液相催化劑添加劑作為輔助的多孔碳材料作為氧氣正極，并使用基于有機金屬框架的薄膜作為電池隔膜。
基于具有高離子和電子電導率的鋰聯(lián)苯的液態(tài)負極，以及有機金屬框架薄膜所具有的獨特腔體結構對離子的輸運調(diào)控，有機氧氣電池實現(xiàn)了高電流密度（4.0 A·g-1）下的長時間穩(wěn)定循環(huán)（100次）。
在循環(huán)后有機金屬框架薄膜面向液態(tài)負極的一側，觀察到并研究了一種類固態(tài)電解質(zhì)層（Solid Electrolyte Interface，SEI），推測了其形成機制，提出其對于液體負極的穩(wěn)定循環(huán)具有重要影響。
將金屬鋰溶解于聯(lián)苯的醚溶液得到深色的聯(lián)苯鋰液體負極（圖1.a）。將水滴滴入液體負極中，未見明顯氣泡，反應溫和，這表明聯(lián)苯鋰液體負極是一種安全的負極電極材料（圖1.b）。通過EIS法和伏安法測得了整體電導率和電子電導率（圖1.c）。良好的電導性是其作為液體負極材料的基礎。
▲ 圖2. 常用固態(tài)電解質(zhì)和金屬有機框架薄膜的對比；評價制備的金屬有機框架薄膜用于阻擋聯(lián)苯鋰液態(tài)負極效果的滲透實驗
相較于常用固態(tài)電解質(zhì)材料，金屬有機框架薄膜作為隔膜材料具有離子傳導性和阻擋大基團分子的基礎上，還具有柔性以及良好的可操作性（圖2.a）。制備的金屬有機框架薄膜均勻致密（圖2.b），在滲透實驗中，通過電子照片以及FT-IR表征對比，證明金屬有機框架薄膜能有效阻擋液體負極中活性物質(zhì)聯(lián)苯的穿梭。
▲ 圖3. 有機氧氣電池的電池構造及其倍率和循環(huán)的電化學性能
基于聯(lián)苯鋰液體負極，金屬有機框架薄膜隔膜和雙液相催化劑輔助的多孔碳氧氣正極的電池結構如圖3.a所示。受益于液體負極良好的離子和電子電導，以及金屬有機框架薄膜獨特腔體結構對于離子傳輸?shù)恼{(diào)控，組裝的有機氧氣電池在保持了較低的過點位的情況下展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能（4A·g-1），以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性（100次充放電）。
▲ 圖4. 對循環(huán)后金屬有機框架隔膜上類SEI膜的系列表征及推測的膜組分
在循環(huán)后的金屬有機框架隔膜上，我們觀察到液體負極測生成了一個新的界面層。考慮到該界面一邊連接離子傳導介質(zhì)，一邊連接具有離子電導和電子電導的液體負極，我們認為提出該界面層是一個類固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。通過FT-IR和XPS等表征手段，我們推測出該界面層主要成分為Li2CO3, LiF, C–F物質(zhì)和部分未溶解的聯(lián)苯。
